第一章-声波的传播特性及人耳的听觉特性.ppt

第一章第一章 声波的传播特性及人耳的声波的传播特性及人耳的听觉特性听觉特性第一节第一节 声波的传播特性声波的传播特性声波是由物体振动产生的声波是由物体振动产生的,当振动在一定的当振动在一定的频率和强度范围内时频率和强度范围内时,人耳就可以听到人耳就可以听到.振动发声的物体称为声源振动发声的物体称为声源,有声波传播的空有声波传播的空间称为声场间称为声场.当声源在空气中发声时当声源在空气中发声时,媒质也产生振动媒质也产生振动,于于是是,振动形成波动振动形成波动,在空间传播开来在空间传播开来,在声源周在声源周围形成疏密交替的空气压力波围形成疏密交替的空气压力波,即声波即声波.在在15摄氏度时摄氏度时,大约以大约以340米米/秒的速度由声秒的速度由声源向外传播源向外传播.气体中的声波属于纵波气体中的声波属于纵波,即波的即波的前进方向与媒质质点的振动方向在一条直前进方向与媒质质点的振动方向在一条直线上线上.尺寸比波长小的声源所发出的声波是以球尺寸比波长小的声源所发出的声波是以球面扩展的面扩展的,波阵面为球面波阵面为球面,这种声波称为球面这种声波称为球面声波声波.这种声源称为点声源这种声源称为点声源.现实中的声源现实中的声源,即使具有一定的尺寸即使具有一定的尺寸,但在距但在距离与声源尺寸相比充分远时离与声源尺寸相比充分远时,也可将它看作也可将它看作点声源点声源,在这样距离里处得到球面声波在这样距离里处得到球面声波.当距离远到一定程度时当距离远到一定程度时,波阵面即与平面声波阵面即与平面声波的波阵面相接近波的波阵面相接近,可看做平面声波可看做平面声波.一、声波的反射一、声波的反射一、声波的反射一、声波的反射声波在前进过程中如果遇到尺寸甚大于声波在前进过程中如果遇到尺寸甚大于声波波长的坚硬界面声波波长的坚硬界面,会产生反射会产生反射.声波从界面反射的角度与声波入射到界声波从界面反射的角度与声波入射到界面的角度相等面的角度相等,即反射角等于入射角即反射角等于入射角.反射的声波如同从界面后面与声源相对反射的声波如同从界面后面与声源相对应位置处发射出来的一样应位置处发射出来的一样,即如同在该位即如同在该位置处有一声源置处有一声源,称为虚声源称为虚声源,也称为镜像声也称为镜像声源源,它与界面的距离等于声源与界面的距它与界面的距离等于声源与界面的距离离,如图如图1-1所示所示.当声源在一个凹界面前当声源在一个凹界面前,声波会产生聚焦声波会产生聚焦,如如图图1-2所示所示.对于播音室来说对于播音室来说,为了良好扩散为了良好扩散,应避免凹界面应避免凹界面.当声源在一个凸界面前当声源在一个凸界面前,声波会产生扩散声波会产生扩散,如如图图1-3所示所示.播音室中经常采用凸面结构播音室中经常采用凸面结构,以以增加声波的扩散增加声波的扩散,使声场中声能密度均匀使声场中声能密度均匀.二、声波的干涉二、声波的干涉二、声波的干涉二、声波的干涉由几个声源产生的声波由几个声源产生的声波,同时在同一媒质中同时在同一媒质中传播时传播时,如果几个声波在某点相遇如果几个声波在某点相遇,在相遇处在相遇处媒质质点的振动将是各个声波所引起的分媒质质点的振动将是各个声波所引起的分位移和矢量和位移和矢量和,就是声波的就是声波的叠加原理叠加原理.也就是说也就是说,每个声波都独立地保持自己原有每个声波都独立地保持自己原有的特性的特性(如频率如频率、波长波长、振动方向等振动方向等).因而因而,几种乐器同时演奏或几个人同时说话几种乐器同时演奏或几个人同时说话时时,我们也能分辨出各种乐器和各个人的声我们也能分辨出各种乐器和各个人的声音音.两个声波传到媒质中的一点时两个声波传到媒质中的一点时,如果两声波如果两声波在该点产生的振动是同相的在该点产生的振动是同相的,则这点的振动则这点的振动会加强会加强;如果两声波在该点产生的振动是反如果两声波在该点产生的振动是反相的相的,则该点的振动就会相互减弱或抵消则该点的振动就会相互减弱或抵消.当两个频率相同当两个频率相同,振动方向相同振动方向相同,相位相同或相位相同或相位差恒定的声源所发出的声波叠加时相位差恒定的声源所发出的声波叠加时,会会使某些点的振动加强使某些点的振动加强,某些点的振动减弱某些点的振动减弱,甚甚至被抵消而不振动至被抵消而不振动,这种现象称为这种现象称为声波的干声波的干涉现象涉现象.产生干涉的声波称为相干声波产生干涉的声波称为相干声波,相应的声源相应的声源称为相干声源称为相干声源.当一个声源处于两个具有很小吸声性能的当一个声源处于两个具有很小吸声性能的平行界面之间时平行界面之间时,垂直入射的声波与反射声垂直入射的声波与反射声波会产生干涉现象波会产生干涉现象,干涉的结果在空间形成干涉的结果在空间形成振幅分布恒定不变的振动振幅分布恒定不变的振动,这种情况称为驻这种情况称为驻波波.两个频率相近两个频率相近,强度相差不多的声波相遇时强度相差不多的声波相遇时,由于两者间的相位差时刻在变化而使叠加由于两者间的相位差时刻在变化而使叠加后的声波振幅做周期变化后的声波振幅做周期变化,合成的声波会在合成的声波会在时间上有强弱的变化时间上有强弱的变化,这种现象称为拍这种现象称为拍.振幅振幅变化的频率等于原来两个频率之差变化的频率等于原来两个频率之差,称为拍称为拍频频.三、声波的衍射和绕射三、声波的衍射和绕射三、声波的衍射和绕射三、声波的衍射和绕射由于媒质中的障碍物或其他不连续性而引由于媒质中的障碍物或其他不连续性而引起声波波阵面畸变的现象称为衍射起声波波阵面畸变的现象称为衍射(或绕射或绕射).如图如图1-4所示所示,当声波在传播过程中遇到有小当声波在传播过程中遇到有小孔的大障碍物时孔的大障碍物时,如果小孔宽度大于声波波如果小孔宽度大于声波波长长,声波将从小孔穿过向前传播声波将从小孔穿过向前传播;如果小孔宽如果小孔宽度小于声波波长度小于声波波长,则在障碍物的另一侧的声则在障碍物的另一侧的声波有如一个以小孔为中心的新的声源发射波有如一个以小孔为中心的新的声源发射的声波的声波.当声波的波长远大于障碍物尺寸时当声波的波长远大于障碍物尺寸时,声波可绕过障碍物向前前进声波可绕过障碍物向前前进;当声波的波长当声波的波长远小于障碍物尺寸时远小于障碍物尺寸时,声波会被反射一部分声波会被反射一部分,并在障碍物后面形成一无声区并在障碍物后面形成一无声区.四、声强四、声强四、声强四、声强声波的强度可以用声压幅度表示声波的强度可以用声压幅度表示.如果声源如果声源是一个点声源是一个点声源,在距声波不太远的范围内在距声波不太远的范围内,声波的波前为球面声波的波前为球面,声压幅度将声压幅度将与距离平方与距离平方成反比成反比.如果声源很大如果声源很大,或离开声源很远或离开声源很远,则声波波则声波波前为平面前为平面,声压幅度就不随距离远近而变化声压幅度就不随距离远近而变化,而是保持一个恒定大小而是保持一个恒定大小.在实际中在实际中,由于空气对声波的吸收由于空气对声波的吸收,声波的声波的能量会逐步损失能量会逐步损失,直至使声压幅度为零直至使声压幅度为零.第二节第二节 人耳的听觉特性人耳的听觉特性一、人耳的听觉器官一、人耳的听觉器官图图1-5为人耳的剖面图为人耳的剖面图.它分为外耳它分为外耳、中耳和中耳和内耳三个部分内耳三个部分.1.外耳外耳由耳廓由耳廓(耳壳耳壳)和外耳道组成和外耳道组成.耳廓起收集和向耳廓起收集和向外耳道反射声音的作用外耳道反射声音的作用,外耳道将声音传送外耳道将声音传送给中耳给中耳.外耳道的自然谐振频率约为外耳道的自然谐振频率约为3400Hz,由于外耳道的共鸣由于外耳道的共鸣,以及人头对声以及人头对声音产生的反射和衍射音产生的反射和衍射,使得人耳对使得人耳对24Hz的的声音感觉约可提高声音感觉约可提高1520dB.2.中耳中耳由鼓膜和三块听小骨组成由鼓膜和三块听小骨组成.鼓膜是一个漏斗鼓膜是一个漏斗状的薄膜状的薄膜,声波激励鼓膜振动声波激励鼓膜振动,并将振动传给并将振动传给三块听小骨三块听小骨.听小骨具有一些非线性听小骨具有一些非线性,使人们使人们对一个频率的声音能产生出它的谐音的感对一个频率的声音能产生出它的谐音的感觉觉.3.内耳内耳由三个半规管和耳蜗组成由三个半规管和耳蜗组成.耳蜗呈螺旋形耳蜗呈螺旋形,状状似蜗牛似蜗牛,是一骨质腔体是一骨质腔体,内部充满淋巴液内部充满淋巴液.耳蜗耳蜗沿其长度被基底膜分为两部分沿其长度被基底膜分为两部分,分别称为前分别称为前庭阶和鼓阶庭阶和鼓阶.在基底膜上分布有大量毛细胞在基底膜上分布有大量毛细胞,每根毛细胞上都连有末梢神经每根毛细胞上都连有末梢神经.人耳听音的详细过程如下人耳听音的详细过程如下:声音经过耳廓和声音经过耳廓和外耳道到达鼓膜外耳道到达鼓膜,使鼓膜产生相应的振动使鼓膜产生相应的振动.鼓鼓膜的振动经类似杠杆系统的三个听小骨放膜的振动经类似杠杆系统的三个听小骨放大后大后,传到耳蜗的卵形窗传到耳蜗的卵形窗,并传递给耳蜗内的并传递给耳蜗内的淋巴液淋巴液.耳蜗通过大约耳蜗通过大约4000根神经末梢与大根神经末梢与大脑相连脑相连.耳蜗是一选频器官耳蜗是一选频器官.高频声音激励靠近卵形高频声音激励靠近卵形窗的神经末梢窗的神经末梢;中频声音激励中部的神经末中频声音激励中部的神经末梢梢;末端的神经末梢则被低频的声音激励。末端的神经末梢则被低频的声音激励。当耳蜗的某个范围被相应频率的声音激励当耳蜗的某个范围被相应频率的声音激励时时,这个部位的毛细胞就会使相连的神经末这个部位的毛细胞就会使相连的神经末梢发出电脉冲梢发出电脉冲,并将电脉冲传递给大脑并将电脉冲传递给大脑.每单每单位时间的脉冲数取决于声音的强度位时间的脉冲数取决于声音的强度.声音越声音越强强,毛细胞受到的激励越强烈毛细胞受到的激励越强烈,单位时间内传单位时间内传给大脑的脉冲数就越多给大脑的脉冲数就越多.因此因此,耳蜗是个很好耳蜗是个很好的声音分析仪的声音分析仪,它能从一个复合的声音中分它能从一个复合的声音中分辨出各个频率成分辨出各个频率成分.用人耳辨别声音的音调用人耳辨别声音的音调,只需听到振动的几只需听到振动的几个周期就能分辨得一清二楚个周期就能分辨得一清二楚.在听觉范围内在听觉范围内人耳能认定和区分大约人耳能认定和区分大约1500种不同的音调种不同的音调.二、人耳对声音的感受二、人耳对声音的感受二、人耳对声音的感受二、人耳对声音的感受人耳对声音的感受人耳对声音的感受,只能在一定范围的频率只能在一定范围的频率及声压级下进行及声压级下进行,在这个范围外的声音人耳在这个范围外的声音人耳是感觉不到的是感觉不到的.人耳能感受的声音频率范围人耳能感受的声音频率范围因人而异因人而异,也随听音人的年龄而不同也随听音人的年龄而不同.人耳的人耳的可听频率范围为可听频率范围为20Hz-20KHz,这个范围外这个范围外的声音的声音,无论声压级多高无论声压级多高,人耳都听不到人耳都听不到.高于高于20KHz的称为超声的称为超声;低于低于20Hz的称为次声的称为次声.年轻人可以听到高频上限的声音年轻人可以听到高频上限的声音,超过超过20岁岁后后,可听到的频率上限会逐渐下降可听到的频率上限会逐渐下降.声音是一种物理现象声音是一种物理现象,人耳听到声音后对声人耳听到声音后对声音的感受却是一种心理现象音的感受却是一种心理现象,首先应弄清楚首先应弄清楚人耳的主观感受与声音的物理量之间的关人耳的主观感受与声音的物理量之间的关系系.通常将人耳对声音的三种主观感受通常将人耳对声音的三种主观感受,即即响度、响度、音调和音色称为声音三要素音调和音色称为声音三要素.响度主要与声响度主要与声音的振动幅度有关音的振动幅度有关;音调主要与声音的振动音调主要与声音的振动频率有关频率有关;音色主要与声音的振动频谱有关音色主要与声音的振动频谱有关.响度响度响度响度人耳对声音强弱的感觉称为响度人耳对声音强弱的感觉称为响度.人耳对声音响度的感觉与声压级和频率有人耳对声音响度的感觉与声压级和频率有关关,将人耳在听到不同频率纯音将人耳在听到不同频率纯音(正弦波正弦波)时时,对所有具有相同音量感的声压用一条曲线对所有具有相同音量感的声压用一条曲线表示后得到的曲线族表示后得到的曲线族,称为称为等响曲线等响曲线.如图如图1-6所示所示.图中每条曲线上所代表的与声压级、频响图中每条曲线上所代表的与声压级、频响相对应的声音相对应的声音,人耳听来都是同样响的人耳听来都是同样响的,也可也可以理解为对于不同频率的声音以理解为对于不同频率的声音,人耳听到同人耳听到同样响度时所需的声压级不同样响度时所需的声压级不同.例如例如,以以1KHz、60dBSPL的声音为基准的声音为基准,人耳听到与它等响的人耳听到与它等响的100Hz声音所需的声压级声音所需的声压级68dBSPL,对对20Hz声声音需音需100dBSPL,对对4KHz声音则需声音则需51dBSPL.将将1KHz 声音以声音以dB表示的声压级定义为响度表示的声压级定义为响度级级,单位为单位为phon(方方).0phon以下的声音以下的声音,人耳是听不见的人耳是听不见的,所以所以0phon曲线可称为听阀曲线可称为听阀;120phon以上的声以上的声音会使人耳感到疼痛音会使人耳感到疼痛,所以所以120phon曲线可曲线可称为痛阀称为痛阀.分析等响曲线可得出以下结论分析等响曲线可得出以下结论:(1)人耳对不同频率声音的灵敏度不同人耳对不同频率声音的灵敏度不同,对中对中频段最为敏感频段最为敏感,对高对高、低频段的敏感度下降低频段的敏感度下降.(2)从听阀曲线可看出从听阀曲线可看出,4KHz左右是曲线的左右是曲线的最低点最低点,即人耳听到即人耳听到4KHz左右声音所需的声左右声音所需的声压级最小压级最小,因而对因而对4KHz左右声音最为敏感左右声音最为敏感.这是由于外耳道共鸣引起的这是由于外耳道共鸣引起的.(3)声压级越高声压级越高,人耳听觉频响越趋平直人耳听觉频响越趋平直;声压声压级越低级越低,人耳听觉频响越不好人耳听觉频响越不好,高低频都会有高低频都会有所损失所损失.(4)对对100Hz以下的低频声以下的低频声,人耳的灵敏度会人耳的灵敏度会急剧下降急剧下降.对对20Hz声音的听阈为声音的听阈为70dBSPL,因此因此为了进行有适当低音的调音为了进行有适当低音的调音,监听扬声器的监听扬声器的声压级至少应为声压级至少应为70dBSPL.通常监听扬声器的通常监听扬声器的声压级取为声压级取为70-90dBSPL.当监听音量减小时当监听音量减小时,高频高频、低频声会有所损失低频声会有所损失,因而改变监听扬因而改变监听扬声器的声压级会使不同频段的音量平衡发声器的声压级会使不同频段的音量平衡发生变化生变化.(5)曲线族之间的间隔曲线族之间的间隔1KHz附近几乎是均等附近几乎是均等的的,说明人耳对说明人耳对1KHz附近的频率附近的频率,声压变化声压变化的的dBSPL值与听觉上的音量感的变化是比较一值与听觉上的音量感的变化是比较一致的致的.因此因此,选定选定1KHz声音作为各种声音的声音作为各种声音的声压级基准声压级基准.根据上述分析可知根据上述分析可知,当改变重放音量时当改变重放音量时,各个各个频率的声音的响度级也将改变频率的声音的响度级也将改变,所以人们会所以人们会感到声音的音色有变化感到声音的音色有变化.即使是一个高级的放音装置即使是一个高级的放音装置,在低声级放音在低声级放音时时,会感到放音频带变窄会感到放音频带变窄,声音单薄声音单薄;相反相反,即即使是一个低级的放音装置使是一个低级的放音装置,在提高放音量时在提高放音量时,也会感到放音频带展宽也会感到放音频带展宽,声音较丰满声音较丰满.为了减小等响曲线的影响为了减小等响曲线的影响,可以在前置放大可以在前置放大器部分安装响度控制器器部分安装响度控制器,使在低声级放音时使在低声级放音时,能根据等响曲线自动地将低声级频段声音能根据等响曲线自动地将低声级频段声音的声级进行反校正的声级进行反校正,将它们相应提高将它们相应提高.音调音调音调音调人耳对声音高低的感觉称为音调人耳对声音高低的感觉称为音调.音调主要音调主要与声音的与声音的基音频率有关基音频率有关,但不成正比但不成正比,是一种对数关系是一种对数关系.影响音调的因素还有声压级和持续时间影响音调的因素还有声压级和持续时间听觉有心理因素和生理因素听觉有心理因素和生理因素,音量变化对音音量变化对音调感觉有影响调感觉有影响,低频声减小音量低频声减小音量,会感到音调会感到音调升高升高;增大音量时增大音量时,会感到音调变低会感到音调变低.高频声正相反高频声正相反,减小音量时会感到音调变低减小音量时会感到音调变低.增大音量时增大音量时,会感到音调变高会感到音调变高.因此在小音量时必须将低频声的音调调低因此在小音量时必须将低频声的音调调低一些一些,而将高频声的音调调高一些而将高频声的音调调高一些,才能等到才能等到应有的音调应有的音调.3.3.音色音色音色音色音色是听觉上区别具有同样响度和音调的音色是听觉上区别具有同样响度和音调的两个声音的主观感觉两个声音的主观感觉,也称为音品也称为音品.由频谱由频谱结构决定结构决定,即由声音的即由声音的基频和谐波的数目以基频和谐波的数目以及它们之间的相互关系来决定及它们之间的相互关系来决定.声音的频谱结构用频谱图来表示声音的频谱结构用频谱图来表示,以频率的以频率的对数坐标作为横坐标对数坐标作为横坐标,以声压级作为纵坐标以声压级作为纵坐标,将基频和斜波按幅度大小以相应高度的纵将基频和斜波按幅度大小以相应高度的纵线表示在相应频率坐标上线表示在相应频率坐标上.音色还与发声体振动的起振音色还与发声体振动的起振,稳定和衰减的稳定和衰减的时间过程有关时间过程有关.时间过程可简称为时程时间过程可简称为时程,或称或称为时间轴上的包络形状为时间轴上的包络形状.起振阶段只在激发弦或空气柱使振动开始起振阶段只在激发弦或空气柱使振动开始的瞬间的瞬间,振幅还不大还不稳定振幅还不大还不稳定.例如铜管乐器例如铜管乐器激发的时间激发的时间40ms,强激发时最长为强激发时最长为80ms,但但在弱激发时最长可达在弱激发时最长可达180ms.稳定阶段是振幅增至最大稳定阶段是振幅增至最大,并保持恒定不变并保持恒定不变的阶段的阶段.例如弦乐中的提琴和二胡例如弦乐中的提琴和二胡,管乐的长管乐的长笛和小号笛和小号,而板鼓和梆子等打击乐则没有而板鼓和梆子等打击乐则没有.衰减阶段是振幅开始减小至完全停止的阶衰减阶段是振幅开始减小至完全停止的阶段段.例如扬琴可达例如扬琴可达1-2秒秒,一般乐器高音短低一般乐器高音短低音长音长.风琴起振缓慢风琴起振缓慢,短时间内保持一定的稳态短时间内保持一定的稳态声级声级,较缓的衰减较缓的衰减.钢琴起振较快钢琴起振较快,然后逐步然后逐步衰减衰减.三、人耳的几个效应三、人耳的几个效应遮蔽效应遮蔽效应由于第一个声音的存在而使第二个声音提由于第一个声音的存在而使第二个声音提高听阈的现象高听阈的现象,称为掩蔽效应称为掩蔽效应.因此因此,一个声一个声音能被听到的条件是这个声音的声压级不音能被听到的条件是这个声音的声压级不仅要超过听者的听阈仅要超过听者的听阈,而且要超过它所在背而且要超过它所在背景环境中的掩蔽阈景环境中的掩蔽阈.鸡尾酒会效应鸡尾酒会效应鸡尾酒会效应鸡尾酒会效应人们具有从许多声音中选择听到自己要听人们具有从许多声音中选择听到自己要听的声音的能力的声音的能力.在许多人相聚的鸡尾酒会中在许多人相聚的鸡尾酒会中,可以对特定人的讲话听的最清楚可以对特定人的讲话听的最清楚,这种效应这种效应成为鸡尾酒会效应成为鸡尾酒会效应.但传声器拾音时但传声器拾音时,不具备人的这种心理选择不具备人的这种心理选择,而只能客观的拾取由其指向性而只能客观的拾取由其指向性,灵敏度灵敏度,拾音拾音方式等限定的声音方式等限定的声音.因此实际录音时因此实际录音时,不应被不应被声源的内容所吸引声源的内容所吸引,而应注意客观存在的物而应注意客观存在的物理声音理声音.双耳效应双耳效应双耳效应双耳效应用两只耳朵听声与用一只耳朵听声用两只耳朵听声与用一只耳朵听声,在效果在效果方面有许多不同方面有许多不同,这种不同称为双耳效应这种不同称为双耳效应.双耳可听到比单耳时低双耳可听到比单耳时低3dB的声音的声音,对噪音对噪音而言不成立而言不成立.双耳效应最明显的是对声音的定位双耳效应最明显的是对声音的定位,由于到由于到达两耳的声音存在声级差达两耳的声音存在声级差,时间差和相位差时间差和相位差,人耳对高频声方位的判断主要靠声级差人耳对高频声方位的判断主要靠声级差,人人耳对低频声方位的判断主要靠时间差耳对低频声方位的判断主要靠时间差.4.4.主观音主观音主观音主观音 当声音变强时当声音变强时,人耳会感到原来声音中没有人耳会感到原来声音中没有的频率的频率,这是由于人耳传声机构具有非线性这是由于人耳传声机构具有非线性失真失真,形成高次谐波形成高次谐波,由人耳主观产生由人耳主观产生,称为主称为主观音观音.